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Inhaltverzeichnis:
Seite Überschrift
1 Inhaltsverzeichnis
2 bis 4 Allgemeine Informationen über Silicium
5 Einleitung
6 Vergleich zwischen Elektronenröhre und Transistor
7 bis 12 Veranschaulichung des Bohrschen Atommodells und des Energiebändermodells und Erläuterung des Dotierens
13 bis 15 Der Weg von Quarz und Kohle bis zum Wafer (Herstellung von Reinst-Silicium)
16 bis 19 Die weitere Verarbeitung des Wafers zum Chip
Allgemeine Eigenschaften des Siliciums
Silicium 14Si
engl. silicon; lat. silex (\"Kieselstein\")
Silicium-Bruchstück aus einem Einkristall relat. Atommasse: Ordnungszahl: Schmelzpunkt: Siedepunkt: Oxidationszahlen: Dichte: Härte (Mohs): Elektronegativität: Atomradius: Elektronenkonfig.: natürl. Häufigkeit 28,0855 14 1414°C 3265 °C 4, 2, -4 2,33 g/cm³ 7 1,9 (Pauling) 117,6 pm [Ne]3s²3p² Si-28 92,23% Si-29 4,67% Si-30 3,10%
Eigenschaften: Reines Silicium bildet dunkelgrau, metallisch glänzende Kristalle, die eine diamantähnliche Gitterstruktur besitzen. Dies erklärt auch seine relativ große Härte. Graphitähnliche Strukturen kommen nicht vor. In dünnen Schichten erscheinen die Kristalle durchscheinend. Daneben existiert ein dunkelbraunes, amorphes Pulver, das aber im mikrokristallinen Bereich einen ähnlichen Aufbau wie die Kristalle aufweist. Silicium verringert wie Bismut, Gallium oder Wasser beim Schmelzen sein Volumen um etwa 10% und dehnt sich beim Erstarren wieder aus. Die thermische Leitfähigkeit ist sehr hoch, die elektrische Leitfähigkeit bei reinem Silicium sehr gering. Die elektrische Leitfähigkeit des Siliciums steigt mit zunehmender Temperatur. Silicium-Einkristall (Spitze abgesägt) Durch das geringfügige Verunreinigen, bzw. durch das Dotieren mit Fremdatomen (z.B. mit Aluminium oder mit Antimon) kann die elektrische Leitfähigkeit ebenfalls erhöht werden. Man erhält dann einen Halbleiter. Silicium ist nur sehr wenig reaktionsfähig. Es ist unlöslich in Wasser und Säuren, es wird aber von heißen Alkalilaugen zu den entsprechenden Silicaten aufgelöst: Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2 Mit den Halogenen - vor allem mit Fluor - reagiert es bereits bei Zimmertemperatur: Si + 2F2 → SiF4 HR = -1620 kJ/mol An der Luft verbrennt es erst oberhalb von 1000°C zu Silicium(IV)-oxid (Quarz): Si + O2 → SiO2 HR = -912 kJ/mol Bei sehr hohen Temperaturen reagiert es auch mit Stickstoff zu Siliciumnitrid Si3N4, mit Kohlenstoff zu Siliciumcarbid SiC und mit Schwefel zu Siliciumdisulfid SiS2. Silicium lässt sich mit Metallen zu Siliciden legieren.
Vorkommen: Siliciumatome machen 27% Masseanteil in der Erdhülle aus, damit steht Silicium in der Elementhäufigkeit an 2. Stelle nach Sauerstoff. Zahlreiche Mineralien enthalten in ihrem Aufbau Siliciumatome. In der Natur kommen Siliciumatome jedoch nie elementar vor, sondern immer gebunden in anorganischen Mineralien, z.B. im Quarz oder in den Silicaten (Beryll, Olivin, Feldspat, Glimmer, Turmalin). Etwa 90% der Erdkruste besteht aus Siliciumineralien. Merkwürdigerweise findet man im Tier- und Pflanzenreich nur spurenweise Siliciumatome. Bergkristall gehört zur Familie der Quarze (Siliciumdioxid)
Geschichtliches: Der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) stellte im Jahre 1823 als erster das Element aus Siliciumtetrafluorid her. Er benannte es anfangs mit dem lateinischen Wort Silex (\"Kieselstein\"), da Silicium beim Verbrennen in Kieselerde (SiO2) übergeht. Reines Silicium stellte Sainte-Claire Deville im Jahre 1854 her. Die im Jahre 1831 von Thomas Thompson vorgeschlagene englische Bezeichnung \"silicon\" sollte auf die Ähnlichkeit des Elements mit Kohlenstoff (\"carbon\") und Bor (\"boron\") hinweisen. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts spielte Silicium zunehmend eine große Rolle bei der Entwicklung der Photovoltaik. J.J. Berzelius (1779-1848)
Einleitung
Die Elektronik hat in den vergangenen hundert Jahren Einzug in fast alle Lebensbereiche gehalten. Die Mikroelektronik ist dabei das Ergebnis fortschreitender Miniaturisierung und Integration auf geringstem Raum von traditionellen Bauelementen der Elektronik, sprich des Relais', der Elektronenröhre und des Transistors.
Durch die Verkleinerung elektrischer Bauteile in den letzten Jahrzehnten durch die Mikroelektronik lassen sich nun in Kleingeräte Regeleinrichtungen einbauen, wie sie früher nur bei sehr großen und teuren Werkzeugmaschinen üblich waren. Das hat zur Folge, dass im Alltag mechanische Abläufe leichter, schneller und sicherer beherrscht werden.
Ganz am Anfang bestand die Steuerung von Elektronenströmen in einem Unterbrecher, wobei das Zu- und Abschalten von Elektronenströmen in metallischen Leitern durch Schließen bzw. Öffnen eines Kontaktes z. B. einen Motor anlaufen oder stehen bleiben ließ. Die kontrollierte Bewegung von Elektronen in metallischen Leitern als Folge einer angelegten Spannung und eines geschlossenen Stromkreises über einen Verbraucher ist im Grunde bereits Elektronik, dies wird auch Elektrotechnik genannt.
Durch die von de Forest erfundene Elektronenröhre im Jahre 1906 war man in der Lage, Elektronenströme in einem Vakuum durch elektrische Felder zu steuern. Daraus folgten die ersten Schaltungen, die schnell als Elektronik bekannt wurden. Die Anwendung elektronischer Geräte im täglichen Leben allerdings wurde erst durch den Transistoreffekt (Bardeen, Brattain, Shockley, 1948) in Halbleitern möglich. Mit dem Transistor konnte man Elektronenströme in winzigen Einkristallen kontrollieren, wodurch die Möglichkeit zur Miniaturisierung gegeben war, da man in einer "gedruckten Schlaltung" mehrere Transistoren vereinigen konnte. Nach dieser Integrationsstufe folgte eine weitere, die jedoch von größerer Bedeutung war: Der integrierte Schaltkreis, auch Mikrochip (Integrated Circuit (IC)). Er setzt sich aus einer Vielzahl von elektronischen Funktionen zusammen, ist kleiner als ein Fingernagel und besteht aus Halbleitermaterial.
Der Vergleich zwischen Elektronenröhre und dem Transistor
Elektronenröhre: In einem Vakuum, das notwendig ist, da die Elektronen so eine ausreichend freie Weglänge und nicht abgebremst werden, befinden sich drei Elektroden: Die Kathode, die Anode und das Gitter. Durch Erhitzung der Kathode treten Elektronen an ihrer Oberfläche aus und bei der Anlegung einer positiven Spannung an der Anode werden die austretenden Elektronen zu der Anode hingezogen: Man spricht von einem Elektronenstrom. Legt man nun an das Gitter eine Spannung an, so lässt sich der Elektronenstrom verändern. Schon eine kleine Änderung an der Gitterspannung (Ug) hat eine große auf den Elektronenstrom(Ika). Dies ist das Prinzip des Verstärkers.
In einem dotierten Halbleiter funktioniert dies ganz ähnlich, nur spricht man von Emitter (entspricht der Anode), Kollektor (entspricht der Anode) und Basis (entspricht dem Gitter). Ein kleiner Strom auf der Basis-Emitter-Strecke kann dabei einen großen Strom auf der Emitter-Kollektor-Strecke steuern.
Knappe 90 Prozent aller Halbleiterbauelemente bestehen aus Silicium. Germanium hat heute dagegen nur noch eine geringe Bedeutung. Neben diesen beiden Elementen haben noch andere, die Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid (GaAs), noch eine geringe Bedeutung. Wichtig ist, dass das Grundmaterial "Halbleitereigentschaft" besitzt, man daraus einen Einkristall erzeugen und diesen nach Bedarf dotieren kann.
Unter einem Einkristall versteht man einen Kristall, dessen Bausteine (Atome, Ionen oder Moleküle) ein einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden (im Gegensatz zu polykristallinen Aggregaten, verzwillingten Kristallen, oder amorphen Substanzen). Damit ist gemeint, dass alle Atome nach einem periodisch wiederkehrenden, sich in allen drei Dimensionen bis zu den Grenzen des Kristalls hin erstreckenden Muster anordnet. Doch diesen idealen Zustand kann man nicht in der Natur auffinden, da ihn Stoffe des täglichen Umgangs, die polykristallin sind, beeinträchtigen. Ein Polykristall (Vielkristall) ist ein Festkörper, dessen Kristallstruktur nicht regelmäßig ist, da er aus vielen Einkristallen besteht, die durch Korngrenzen getrennt werden.
Das Reinst-Silicium, das aus der chemischen Industrie abstammt, scheint für die Mikroelektronik (Mikroschaltungen aus Basis für die Technik der nahezu unbegrenzten Informationsübertragung, -aufnahme, -speicherung und -verarbeitung) das perfekte Material zu sein, da es
- als Rohstoff nahezu unbegrenzt verfügbar ist, da 27 Gewichtsprozente der Erdkruste aus Silicium in Form von chemischen Verbindungen (Quarz, Silikate) bestehen.
- im Vergleich zu anderen Halbleitern relativ einfach ist, einkristallines Silicium in hoher Reinheit und im großtechnischen Maßstab zu produzieren; zudem ist es ungiftig und umweltfreundlich.
- mit Sauerstoff eine dichte, festhaftende Oxidschicht bildet und damit den als "Photolithographie" (Reproduktionsverfahren, bei dem mittels Belichtung Muster auf Materialien aufgebracht werden) bezeichneten Verfahrensschritt in der Bauelementherstellung ermöglicht.
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